CC BY
106Дмитрий КИЛОЧЕК
Проектирование устройств
с технологией Cypress CapSense
В последнее время все более популярными становятся сенсорные интерфейсы, где управление осуществляется не механическим замыканием контактов, а прикосновением пальца к чувствительному элементу. В КиТ № 12 '2007 рассказывалось о технологии CapSense, которую фирма Cypress предлагает для реализации сенсорных интерфейсов, основанных на емкостных датчиках прикосновения. Автор сообщил, каковы основные методы измерения емкости, предлагаемые в рамках данной технологии, а также привел пример программной настройки сенсорной клавиатуры. В данной статье более подробно рассказано о конструктивной стороне проектирования подобных интерфейсов — об основных критериях при проектировании печатной платы и выборе материала покрытия для обеспечения хорошей чувствительности и надежной работы сенсорных интерфейсов CapSense.
Пн
■режде чем приступать к рассмотрению особенностей конструирования . сенсорных интерфейсов Сар8еше, напомним о том, что же собственно лежит в основе данной технологии.
Упрощенно, емкостный сенсор — это пара смежных проводников (рис. 1). Когда проводящий объект приближается к этим электродам, появляется емкость между электродами и проводящим объектом. Как правило, под проводящим объектом подразумевается палец, но возможно применение и других объектов. Обычно массив емкостных сенсоров представляет собой набор конденсаторов, у каждого из которых одна из сторон заземлена. Наличие проводящего объекта вызывает увеличение емкости между сенсором и «землей», и срабатывание сенсора можно определить, просто измеряя изменение его емкости (рис. 2).
Параметры емкостей обычно находятся в следующих пределах:
• емкость «палец-датчик» Ср: 0,1-10 пФ;
• собственная емкость человека Ск: 100-300 пФ;
• собственная емкость платы Съ: от 10-20 пФ для небольших плат без внешних подклю-
чений до 1000 пФ, если устройство подключается к источнику питания переменного тока;
• емкость «человек-плата», Скь: 1-20 пФ в зависимости размеров платы, покрытия и положения руки.
На рис. 2 видно, что результирующая емкость прикосновения Сх всегда меньше вносимой пальцем емкости Ср.
Технология реализации емкостных датчиков прикосновения с использованием системы на кристалле РвоС получила название Сарвеше. Сарвеше должна детектировать малые изменения емкости (Сх = 0,1.. .10 пФ) на фо-
не большой паразитной емкости (10-300 пФ), при этом всегда измеряется сумма паразитной емкости Срат и емкости касания Сх (С = Сх+Срат). Под паразитной емкостью в данном случае понимается собственная емкость сенсора: сумма емкости чувствительной площадки, емкости проводников и переходных отверстий. Для оптимизации использования динамического диапазона всегда следует бороться за уменьшение паразитной емкости.
Покрытие
Печатная плата
- Сенсоры и заземление
-Компоненты и проводники
Рис. 2. Емкость прикосновения
Рис. 3. Структура клавиатуры CapSense
В общем случае клавиатура Сарвеше представляет собой «бутерброд», состоящий из печатной платы и покрытия из диэлектрического материала (рис. 3). Согласно документу [3], для правильного функционирования клавиатуры отношение сигнал/шум должно быть не менее 5:1. Добиться этого можно, соблюдая основные требования при проектировании клавиатуры, как на стадии разводки печатной платы, так и при выборе материала покрытия.
Печатная плата
Как правило, емкостные сенсоры прикосновения для технологии Сарвеше формируются с использованием металлизации на печатных платах. В качестве основы печатных плат может выступать обычный текстолит БИ-4 толщиной от 0,5 до 1,6 мм. Область платы, необходимая для размещения сенсоров
CapSense, лишь немного превосходит размеры собственно чувствительных областей. Электрические поля вокруг сенсоров локализованы, особенно если сенсоры и полигон «земли» расположены на одной стороне печатной платы.
Длина и ширина линий, соединяющих сенсор с микросхемой, нужно выбирать таким образом, чтобы минимизировать паразитную емкость сенсора и, как следствие, увеличить динамический диапазон системы. Короткие и тонкие соединительные линии позволяют существенно уменьшить паразитную емкость. В существующих проектах на основе CapSense максимальная длина соединительной линии составляет 230 мм для линии прокрутки (слайдера) и 300 мм для клавиш, однако для такой системы необходимы увеличенные сенсоры и более тонкое покрытие клавиатуры для увеличения сигнала от сенсора. Широкие линии также увеличивают паразитную емкость и связь с элементами на других слоях платы, поэтому рекомендуемая максимальная ширина соединительных линий — 0,15-0,20 мм.
Паразитная емкость увеличивается и из-за переходных отверстий, поэтому их использование для трассировки соединительного проводника крайне нежелательно. Переходное отверстие необходимо лишь для соединения сенсора и линии связи и может располагаться в любом месте на чувствительной площадке, в том числе и с краю, что выгодно для уменьшения длины связующей линии.
Обычно, с целью минимизации расстояния от сенсора до микросхемы CapSense, микросхему и прочие компоненты располагают на нижней стороне печатной платы, а сенсоры — на верхней. Многослойную печатную плату можно применять, если необходимо еще более компактное размещение компонентов, однако проводники не должны располагаться непосредственно под сенсорами.
Проводники от сенсоров нельзя располагать параллельно и в непосредственной близости от высокоскоростных линий связи, таких как I2C или SPI. Если все же не удается избежать пересечения с коммуникационными проводниками, то такое пересечение должно быть под прямым углом. Избежать возмож-
линии 0,2 мм / ч линии 0,2 мм
........ хххх
Верхний слой
Нижний слой
ных пересечений можно, назначив входы CapSense и контакты коммуникационных шин на разные стороны микросхемы. Кроме того, для уменьшения радиопомех рекомендуется устанавливать проходные резисторы на все входы CapSense (по 560 Ом) и на все коммуникационные линии (по 300 Ом).
Форма клавиши и ее размеры определяют чувствительность сенсора. Хотя клавиша CapSense может иметь любую форму, на практике рекомендуется использовать клавиши круглой или квадратной формы (рис. 4). Во втором случае следует закруглять углы квадрата. Электрический заряд скапливается на острых углах полигона, поэтому закругленные углы квадрата способствуют более равномерному распределению заряда.
По этой же причине не рекомендуется использовать для обычных клавиш полигоны треугольной формы или других форм с острыми углами. Также не нужно применять в качестве клавиш замыкаемые пальцем полигоны. Такая форма традиционно используется для реализации клавиш, выполняемых на печатных платах, однако в случае CapSense это увеличивает взаимовлияние сенсоров друг на друга, либо, если один из контактных полигонов соединен с «землей», то это увеличивает паразитную емкость сенсора. Однако при реализации матричных клавиатур необходимо одновременное срабатывание двух сенсоров, поэтому применения таких форм сенсоров не избежать. Наиболее удобная форма клавиши для матричной клавиатуры показана на рис. 5.
Оптимальная площадь сенсора находится в диапазоне от 20 до 600 мм2. Сенсор с площадью меньше 20 мм2 дает очень слабый сигнал от прикосновения из-за своих малых размеров. С другой стороны, сенсор с площадью больше 600 мм2 также дает слабый сигнал — из-за очень большой собственной емкости и неразличимости на ее фоне приращения от прикосновения. Если все же возникнет необходимость в сенсоре с большой площадью, то с целью минимизации его собственной емкости его следует сделать сетчатым.
Для реализации подсветки клавиш достаточно просто поместить светодиод под чувствительной площадкой сенсора на нижней стороне платы и сделать отверстие в плате. Управляющие светодиодом проводники также должны быть расположены на ее нижней стороне.
Для увеличения помехоустойчивости устройства, как правило, свободное от разводки пространство печатной платы заполняют полигоном «земли», однако если такой полигон располагается вблизи площадки сенсора Сарвеше, то в таком случае необходимо найти компромисс между уровнем сигнала от сенсора и помехоустойчивостью. Рекомендуется использовать не сплошную заливку полигона «земли», а сетчатую: 15-20% для верхнего слоя, в котором расположена чувствительная площадка сенсора, и 10% — для нижнего слоя (рис. 6).
Рис. S. Экранирующие полигоны
Полигоны «земли», окружающие сенсорные площадки, не только экранируют сенсоры и линии связей от источников шумов, но и непосредственным образом влияют на паразитную емкость сенсора Срат, собственную емкость сенсора в отсутствие прикосновения пальца. Паразитная емкость уменьшается с увеличением зазора между полигоном клавиши и окружающим его полигоном «земли» (рис. 7).
Сигнал, соответствующий прикосновению, пропорционален отношению вносимой пальцем емкости (Ср) к паразитной емкости сенсора (Сраг). Емкость Сррастет с увеличением размеров сенсора, а также с уменьшением толщины покрытия. Хорошо спроектированная клавиатура CapSens имеет Ср, по крайней мере, 0,1 пФ (рис. 8).
15
* 10
1 2 4
Толщина покрытия, мм
Рис. 8. Зависимость емкости прикосновения от диаметра клавиши и толщины покрытия
С увеличением толщины покрытия клавиатуры зазор между полигоном сенсора и экранирующим полигоном должен быть увеличен для сохранения прежнего уровня сигнала. Как правило, при проектировании клавиатуры CapSense рекомендуется делать зазор равным толщине покрытия. Однако следует иметь в виду, что чрезмерное увеличение этого зазора может увеличить взаимовлияние клавиш.
Рис. 9. Слайдер
Помимо клавиш, другим стандартным элементом интерфейса CapSense являются слайдеры (полосы прокрутки). Они используются там, где требуется визуальное плавное управление какими-либо параметрами, например освещенностью, громкостью или скоростью. Сенсоры CapSense в составе слайдера располагаются в непосредственной близости друг от друга. При прикосновении к слайдеру возникает активация одного из его сенсоров и частичная активация расположенных поблизости (рис. 9). Путем усреднения сигналов от сработавших сенсоров находится положение места прикосновения в слайдере. На практике пять сенсоров составляют нижний предел количества сенсоров, необходимых для построения слайдера. Верхний предел количества сенсоров зависит от количества контактов в выбранной микросхеме. Для увеличения разрешающей способности слайдера можно использовать метод диплексирования (рис. 10), однако при таком подходе увеличивается паразитная емкость сенсоров, поэтому данный метод рекомендуется применять только с тонким покрытием.
Когда палец прикасается к слайдеру, сигнал должен возникать, по крайней мере, на трех расположенных рядом сенсорах для правильной работы алгоритма усреднения. Это условие определяет форму сенсоров, составляющих слайдер: следует использовать
сенсоры с зубчатыми краями, проникающими в соседние сенсоры.
Так же как и при использовании клавиш, общий размер сенсора в составе слайдера определяет чувствительность. Элементы слайдера с большими размерами дают больший уровень сигнала. Так же как и для клавиш, определяется величина зазора между слайдером и окружающим его полигоном заземления. Сенсоры слайдера сканируются последовательно, причем незадействованные сенсоры автоматически подсоединяются к «земле». Поэтому зазор между элементами слайдера должен быть такой же, как и зазор между отдельным сенсором и полигоном «земли».
Путем объединения нескольких слайдеров можно реализовать такой элемент управления, как сенсорный экран, или тачпад (рис. 11).
Одно из основных применений CapSense — различные бытовые приборы. Однако в таких приборах далеко не всегда возможна установка печатной платы непосредственно под покрытием, да и само покрытие (корпус прибора) может иметь сложную изогнутую форму. В таких случаях в качестве сенсоров можно использовать металлические пружинки разной длины (рис. 12).
Это дает следующие преимущества:
• Появляется воздушный зазор между платой и покрытием.
Покрытие
'ч‘ччМ етал л ич еская пружинка
Печатная плата /
Переходное отверстие Проводник к РБоС
Точка припоя
Медное кольцо
Светодиод для подсветки
Металлическая
пружина
Печатная
плата
Рис. 12. Металлическая пружинка в качестве сенсора
• Позволяет располагать клавиши (места прикосновения) на разном расстоянии от печатной платы, что удобно, если покрытие имеет сложную форму.
• Обеспечивается надежное функционирование в том случае, если расстояние между платой и покрытием может меняться (например, из-за каких-либо вибраций).
• Идеально подходит для покрытий с большой толщиной.
• Легко обеспечивается подсветка клавиш.
• Возможна комбинация механической клавиши и клавиши CapSense.
Рекомендуется использовать пружинки высотой 5 мм и более. Чувствительность сенсора-пружинки не сильно зависит от длины, если ее значение превышает 5-7 мм. Поэтому, если требуется большое расстояние между печатной платой и покрытием, то это легко достижимо.
Из-за того, что пружинки имеют боковую чувствительность, соседние сенсоры должны быть расположены как можно дальше друг от друга, чтобы избежать ложных срабатываний. Если расстояние между сенсорами небольшое, требуется более тщательная настройка чувствительности и оценка уровня сигнала, чтобы программно отсечь ложные срабатывания. Так же как и для обычных сенсоров, при использовании покрытия с большой толщиной для обеспечения достаточной чувствительности диаметр пружинки должен быть в 2-3 раза больше толщины покрытия. Например, при толщине стеклянного покрытия 4 мм для достижения оптимальной чувствительности диаметр пружинки должен быть не менее 10 мм. Можно применять пружинки и меньшего диаметра, если они показывают достаточную чувствительность при выбранном покрытии. Также для повышения чувствительности используются пружинки специальных форм — прямоугольной или воронкообразной [8]. Прямоугольная форма хорошо подходит для создания слайдеров из расположенных рядом пружинок. Такой слайдер показывает лучшую линейность по сравнению с выполненным из обычных полигонов металлизации.
Выбор покрытия
Влияние диэлектрических свойств материала покрытия на чувствительность клавиатуры можно понять, рассмотрев обычный конденсатор с параллельными обкладками. Емкость такого конденсатора определяется формулой:
С = (ехе0х5)/й,
где 5 — площадь пластин, й — расстояние между ними, е — диэлектрическая постоянная материала межу обкладками, е0 — диэлектрическая постоянная остального пространства. Емкость системы «палец-сенсор» имеет более сложную зависимость от геометрических размеров 5 и й
С = ехе0х/(5, й),
но, как и емкость обычного конденсатора, прямо пропорциональна диэлектрической постоянной. Именно поэтому для высокой чувствительности сенсора в качестве материала покрытия следует выбирать материал с большим значением е. Воздух имеет наименьшую диэлектрическую постоянную, и поэтому следует исключить любой возможный воздушный зазор между сенсором и покрытием. Диэлектрические постоянные основных материалов, которые могут выступать в качестве покрытия, приведены в таблице 1. Для покрытия подходят материалы с е от 2 до 8.
Толщина покрытия определяется диэлектрической постоянной материала. Обычное стекло имеет диэлектрическую постоянную
Таблица 1. Диэлектрические константы различных материалов
Воздух 1,О
Пластик Formica 4,6-4,9
Стекло (обычное) 7,6-8,О
Стекло (керамика) 6,О
Пленка PET (Mylar) 3,2
Поликарбонат(Lexan) 2,9-3,О
Акрил (Plexiglass) 2,8
Пластик ABS 2,4-4,1
Дерево 1,2—2,5
Гипс 2,5-6,О
е = 8, тогда как для пластика е = 2,5. Таким образом, при одинаковой чувствительности покрытие из стекла будет примерно в три раза толще, чем покрытие из пластика. Как сигнал, так и шум зависят от свойств покрытия, и с увеличением толщины покрытия их уровни уменьшаются. На рис. 13 показана зависимость уровня сигнала с сенсора от толщины покрытия. Покрытие должно иметь хороший механический контакт с поверхностью печатной платы. Возможно применение непроводящих материалов, обеспечивающих хорошую адгезию.
В качестве примера в документе [4] приводится рекомендуемая толщина пластикового покрытия для различных CapSense-элементов:
• Клавиша <5 мм.
• Слайдер <2 мм.
• Сенсорный экран, или тачпад <0,5 мм.
Покрытие должно иметь достаточную толщину для предотвращения пробоя электростатическим напряжением на теле человека. В таблице 2 приведена минимально необходимая толщина покрытия для напряжения 12 кВ.
Таблица 2. Минимальная толщина покрытия для защиты от электростатики
Материал Напряжение пробоя, В/мм Минимальная толщина покрытия при 12 кВ, мм
Воздух 12ОО-28ОО 1О
Стекло (обычное) 79ОО 1,5
Стекло (борсиликатное) (Pyrex) 13 ООО О,9
Пластик Formica 18 ООО О,7
Пластик ABS 16 ООО О,8
Акрил (Plexiglass) 13 ООО О,9
Поликарбонат(Lexan) 16 ООО О,8
Пленка PET (Mylar) 28О ООО О,О4
Полиамидная пленка (Kapton) 29О ООО О,О4
Текстолит FR-4 28 ООО О,4
Сухое дерево 39ОО 3
Климатическое исполнение
Если предполагается, что сенсор должен чувствовать прикосновение руки в перчатке, то при разработке следует учесть толщину ее материала. Сухая кожа и резина подобны пластику с диэлектрической постоянной 2,5-3,5.
Лыжные перчатки в зависимости от теплоизоляционного материала имеют диэлектрическую постоянную 2 и менее.
Работу клавиатуры во влажной окружающей среде могут обеспечивать встроенные средства технологии CapSense. Как подробно рассказывалось в предыдущей статье [12], модуль CSD имеет средства, позволяющие минимизировать влияние возможного попадания на клавиатуру капель воды и водяной пленки на результаты сканирования сенсоров [9]. Для этого используется дополнительный полигон металлизации, окружающий сенсоры, — защитный электрод (рис. 14).
Когда капли воды или водяная пленка находятся на поверхности клавиатуры между сенсором и защитным электродом, взаимосвязь между ними увеличивается, и, соответственно, увеличивается паразитная емкость Срат. Для управления защитным электродом используется тот же тактирующий сигнал, что и для ключей, управляющих зарядом сенсора. При увеличении Срат ток модулятора в модуле CSD уменьшается, что позволяет в случае необходимости разделить при программной обработке сигналы, вызываемые каплями воды и прикосновением пальца. Уменьшение опорного напряжения Уге^ позволяет уменьшить влияние паразитной емкости Срат на ток модулятора. При настройке клавиатуры при практических тестах опорное напряжение может быть выбрано таким образом, что приращение результата измерений под действием капель воды может быть близким нулю или даже отрицательным.
Благодаря тому, что микросхемы PSoC обладают развитой аналоговой периферией, возможно создание системы, в которой чувствительность клавиш будет настраиваться автоматически в зависимости от сигналов с датчиков, оценивающих окружающую среду. Например, используя термодатчик, не сложно сделать так, чтобы в морозную погоду клавиатура автоматически учитывала прикосновение руки в перчатке, а летом чувствительность уменьшалась таким образом, чтобы срабатывание происходило именно при касании поверхности. Использование датчика влажности также может помочь скомпенсировать изменения в чувствительности.
За прошедший год появилось новое семейство микросхем фирмы Cypress, предназначенных для технологии CapSense, — это семейство CapSense Express, которое предполагает исключительно настройку по интерфейсу I2C и необходимо для быстрого создания емкостной клавиатуры. В это семейство входят микросхемы серии Сy8C201хх. Микросхемы PSoC 20-й серии (20234, 20334, 20434 и 20534) стали именоваться семейством CapSense, так как в них аппаратно реализован один из модулей измерения емкости прикосновения — модуль CSA, и предназначены эти микросхемы в первую очередь для клавиатур, хотя и допускают расширенное их программирование. И, наконец, микросхемы PSoC 21-й серии и серии 24x94 получили именование CapSense Plus, так как ресурсы этих микросхем позволяют использовать их не только для реализации емкостных интерфейсов, но и для управления ка-
кими-либо сервомеханизмами, сбора информации с различных датчиков и т. п. Библиотечный модуль CSD, предоставляющий наиболее широкие возможности, реализуется именно в микросхемах семейства CapSense Plus. Однако какое бы семейство вы не выбрали, для всех сохраняются изложенные выше рекомендации по проектированию. ■
Литература
1. AN2292. Lee M. Layout Guidelines for PSoC CapSense.
2. AN2318. Lee M. EMC Design Considerations for PSoC CapSense Applications.
3. AN2403. Lee M. Signal-to-Noise Ratio Requirement for CapSense Applications.
4. AN2394. Lee M. CapSense Best Practices.
5. AN14459. Seguine R. CapSense Device and Method Selection Guide.
6. AN47456. Lee M. Design Guide — CapSense Buttons with CSD.
7. AN48755. Dabade N. Designing with CapSense Express 8 Pin SOIC Device.
8. AN44999. Koblyuk P., Mandziy V., Ryshtun A. Using Springs as CapSenseTM Sensors.
9. AN2398. Kremin V., Bachunskiy R. Waterproof Capacitance Sensing.
10. AN2318. Lee M. EMC Design Considerations for PSoC CapSense Applications.
11. CapSense Sigma-Delta Data Sheet.
12. Килочек Д. Проектирование на программируемых системах на кристалле PSoC Cypress. Часть 6. Клавиатуры, выполненные по технологии CapSense // Компоненты и технологии. 2007. № 12.
